[科普中國]-位錯攀移

簡介

位錯攀移需通過擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)，故低溫時位錯攀移比較困難，高溫下攀移輕易實(shí)現(xiàn)。作用于攀移面的正應(yīng)力有利于位錯攀移，如下圖所示的外加壓應(yīng)力P，可促進(jìn)正攀移；晶體中過飽和的空位，也有利于攀移，可見經(jīng)淬火或冷加工后的金屬在加熱時，位錯攀移將起重要作用。在電子顯微鏡下研究高溫合金顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系時，總會涉及位錯的攀移和它對位錯組態(tài)的影響。1

位錯攀移是靠原子或空位的轉(zhuǎn)移來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)原子從多余半原子面下端轉(zhuǎn)移到別處去，或空位從別處轉(zhuǎn)移到半原子面的下端時，位錯線便向上攀移，即正攀移；反之，當(dāng)原子從別處轉(zhuǎn)移到原子面下端時，或空位從這里轉(zhuǎn)移到別處去時，位錯線就向下攀移，即負(fù)攀移。攀移矢量大小等于滑移面的面間距。由于位錯攀移需要物質(zhì)的擴(kuò)散，因此，不可能整條位錯線同時攀移，只能一段一段（或者一個、幾個原子）地逐段進(jìn)行。這樣，位錯線在攀移過程中就會變成折線，出現(xiàn)割階。隨著攀移的進(jìn)行，這些割階將沿著運(yùn)動方向行進(jìn)，直到它移過整個位錯線才完成一個矢量的攀移。

刃型位錯位錯線垂直于滑移的方向的位錯稱為刃型位錯。在晶體的上半部分有半個多余的晶面，它像用刀劈柴那樣，擠入一組平行晶面之間，而位錯線正好處于所插人晶面的刀刃上。如下圖所示：

將晶體的上半部分向右移動一個原子間距，再按原子的結(jié)合方式連接起來。除分界線附近的一管形區(qū)域例外，其他部分基本都是完好的晶體。在分界線的上方將多出半個原子面（HEFG），這就是刃型位錯。FE是位錯線，并且與滑移方向b垂直。2

攀移力位錯的攀移力，就是使位錯發(fā)生攀移運(yùn)動的力。它一般包括兩部分：（1）化學(xué)攀移力Fs，是指不平衡空位濃度施加給位錯攀移的驅(qū)動力。（2）彈性攀移力Fc，是指作用于半原子面上的正應(yīng)力分量作用下，刃位錯所受的力。其中壓應(yīng)力能促進(jìn)正攀移，拉應(yīng)力則可促進(jìn)負(fù)攀移。

激活能位錯攀移的激活能Uc由割階形成的激活能Uj及空位的擴(kuò)散激活能Ud兩部分所組成。若晶體經(jīng)過塑性形變，因位錯交割已經(jīng)形成大量割階，則Uc=Ud。一般Uj=1eV，而Ud較大，如對Fe，Ud=2.5eV，室溫時kT=0.026eV，由此可見，在常溫下位錯靠熱激活來攀移是很困難的。但是，在許多高溫過程，如蠕變、回復(fù)、單晶拉制中，攀移起著重要的作用。例如，經(jīng)塑性變形的晶體，位錯無規(guī)則的分布在滑移面上，但若加熱到一定溫度，這些位錯會通過攀移離開原來的滑移面，在位錯之間的相互作用下沿縱向排列起來，從而消除大部分的內(nèi)應(yīng)力。所以位錯攀移在低溫下是難以進(jìn)行的，只有在高溫下才能發(fā)生。

實(shí)驗(yàn)觀察在單晶生長中常利用位錯攀移來消除空位。例如拉制單晶硅時，首先高速拉制，是單晶中的空位過飽和，然后使生長的單晶逐漸變細(xì)，則多余半原子面與空位不斷交換而逐漸退出晶體。 位錯攀移運(yùn)動已通過實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證。例如，通過薄膜透射電鏡觀察淬火金屬的熱回復(fù)過程時發(fā)現(xiàn)，原來淬火時由空位聚集成片并形成位錯環(huán)逐步縮小，最終消失。這種位錯環(huán)由刃位錯所組成，其伯氏矢量垂直于位錯環(huán)所在平面，只能在垂直于位錯環(huán)的柱面上滑移，稱為棱柱位錯環(huán)。這種位錯環(huán)在環(huán)所在的平面上只能攀移。因此環(huán)半徑的收縮可以肯定是位錯的攀移過程。